Simple Autorange Capacitor Tester / Capacitance Meter Sa Arduino at sa Kamay: 4 na Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:13

Kamusta!

Para sa yunit ng pisika na kailangan mo:

* isang supply ng kuryente na may 0-12V

* isa o higit pang mga capacitor

* isa o higit pang mga resistors ng pagsingil

* isang stopwatch

* isang multimeter para sa pagsukat ng boltahe

* isang arduino nano

* isang 16x2 I²C display

* 1 / 4W resistors na may 220, 10k, 4.7M at 1Gohms 1 gohms resistor

* dupont wire

Hakbang 1: Pangkalahatang Impormasyon Tungkol sa Mga Capacitor

Napakahalagang papel ng mga capacitor sa electronics. Ginagamit ang mga ito upang mag-imbak ng mga singil, bilang isang filter, integrator, atbp. Ngunit sa matematika, maraming mga capacitor. Kaya maaari kang magsanay ng mga exponential function na may mga capacitor at sila. mag-ehersisyo. Kung ang isang paunang hindi na-charge na capacitor ay konektado sa pamamagitan ng isang risistor sa isang mapagkukunan ng boltahe, pagkatapos ay patuloy na naniningil ng daloy sa capacitor. Sa pagtaas ng singil Q, ayon sa pormulang Q = C * U (C = capacitance ng capacitor), ang boltahe U sa kabila ng capacitor ay tumataas din. Gayunpaman, ang kasalukuyang singilin ay bumababa nang higit pa at ang mabilis na sisingilin na kapasitor ay nagiging mas mahirap mas punan ng mga singil. Ang boltahe U (t) sa capacitor ay sumusunod sa sumusunod na pormula:

U (t) = U0 * (1-exp (-k * t))

Ang U0 ay ang boltahe ng suplay ng kuryente, ang t ang oras at ang k ay sukat ng bilis ng proseso ng pagsingil. Aling mga laki ang nakasalalay sa k? Ang mas malaki ang kapasidad ng imbakan (iyon ay, ang capacitance C ng capacitor), mas mabagal pinunan nito ng mga singil at mas mabagal ang pagtaas ng boltahe. Ang mas malaking C, mas maliit ang k. Ang paglaban sa pagitan ng kapasitor at supply ng kuryente ay naglilimita rin sa transportasyon ng singil. Ang isang mas malaking resistensya R ay nagdudulot ng isang mas maliit na kasalukuyang I at samakatuwid ay mas kaunting singil bawat segundo na dumadaloy sa capacitor. Ang mas malaking R, mas maliit ang k. Ang tamang ugnayan sa pagitan ng k at R o C ay:

k = 1 / (R * C).

Ang boltahe U (t) sa kapasitor ay nagdaragdag ayon sa formula U (t) = U0 * (1-exp (-t / (R * C)))

Hakbang 2: Ang Mga Sukat

Dapat ipasok ng mga mag-aaral ang boltahe U sa oras na t sa isang mesa at pagkatapos ay iguhit ang exponential function. Kung masyadong mabilis ang pagtaas ng boltahe, kakailanganin mong dagdagan ang paglaban R. Sa kabilang panig kung ang boltahe ay nagbabagal nang masyadong mabagal, bawasan ang R.

Kung alam ng isa ang U0, ang paglaban R at ang boltahe U (t) pagkatapos ng isang tiyak na oras t, kung gayon ang capacitance C ng capacitor ay maaaring kalkulahin mula dito. Para sa isang ito ay kailangang i-logarithm ang equation at pagkatapos ng ilang mga pagbabago nakukuha namin: C = -t / (R * ln (1 - U (t) / U0))

Halimbawa: U0 = 10V, R = 100 kohms, t = 7 segundo, U (7 sec) = 3.54V. Pagkatapos C ay nagreresulta sa isang halaga ng C = 160 μF.

Ngunit mayroong isang segundo, simpleng pamamaraan upang matukoy ang kapasidad C. Namely, ang boltahe U (t) pagkatapos ng t = R * C ay eksaktong 63.2% ng U0.

U (t) = U0 * (1-exp (-R * C / (R * C)) = U0 * (1-exp (-1)) = U0 * 0.632

Ano ang ibig sabihin nito? Dapat matukoy ng mga mag-aaral ang oras t pagkatapos na ang boltahe U (t) ay eksaktong 63.2% ng U0. Partikular, para sa halimbawa sa itaas, hinahanap ang oras kung saan ang boltahe sa kabuuan ng kapasitor ay 10V * 0.632 = 6.3V. Ito ang kaso pagkalipas ng 16 segundo. Ang halagang ito ay naipasok na ngayon sa equation t = R * C: 16 = 100000 * C. Nagbibigay ito ng resulta: C = 160 μF.

Hakbang 3: Ang Arduino

Sa pagtatapos ng ehersisyo, ang kapasidad ay maaari ring matukoy sa isang Arduino. Kinakalkula nito ang kapasidad C eksaktong naaayon sa pamamaraan ng mas maaga. Siningil nito ang capacitor sa pamamagitan ng isang kilalang risistor R na may 5V at tinutukoy ang oras pagkatapos na ang boltahe sa capacitor = 5V * 0.632 = 3.16V. Para sa Arduino digital-to-analog converter, 5V ay katumbas ng 1023. Samakatuwid, maghintay ka lamang hanggang sa ang halaga ng analog input ay 1023 * 3.16 / 5 = 647. Sa oras na ito, maaaring makalkula ang kapasidad C. Kaya't ang mga capacitor na may ibang-iba na capacitance ay masusukat, 3 iba't ibang mga resistors ng singilin ang ginagamit. Una, ang isang mababang pagtutol ay ginagamit upang matukoy ang oras ng pagsingil hanggang sa 647. Kung ito ay masyadong maikli, ibig sabihin kung ang kapasidad ng capacitor ay masyadong maliit, ang susunod na mas mataas na paglaban sa pagsingil ay napili. Kung ito ay masyadong maliit isang sumusunod na paglaban ng 1 Gohms sa pagtatapos ng pagsukat. Ang halaga para sa C ay ipapakita sa display gamit ang tamang unit (µF, nF o pF).

Hakbang 4: Mga Konklusyon

Ano ang natutunan ng mga mag-aaral sa yunit na ito? Malalaman mo ang tungkol sa mga capacitor, kanilang capacitance C, exponential function, logarithm, porsyentong mga kalkulasyon at ang Arduino. Marami akong iniisip.

Ang yunit na ito ay angkop para sa mga mag-aaral na may edad 16-17 na taon. Dapat ay dumaan ka na sa exponential function at sa logarithm sa matematika. Magkaroon ng kasiyahan na subukan ito sa iyong klase at Eureka!

Masayang-masaya ako kung iboboto mo ako sa paligsahan sa agham ng silid-aralan. Maraming salamat para dito!

Kung interesado ka sa aking iba pang mga proyekto sa pisika, narito ang aking channel sa youtube:

mas maraming mga proyekto sa pisika: